基于开关键控调制的光载太赫兹正交相移键控信号产生

提出了一种基于开关键控（OOK）调制的光载太赫兹正交相移键控（QPSK）信号产生方案。基于双平行马赫-曾德尔调制器产生了一对光学八倍频边带信号,利用两个强度调制器分别将两路独立的OOK基带信号调制到八倍频边带的两个偏振态上,对两路偏振信号进行相位和幅度调整后再进行叠加,叠加后的光信号经过功率放大和光纤传输后在终端实现了光电转换,从而生成了太赫兹QPSK信号。在VPI仿真环境下,分别验证了80,240,400 GHz信号的传输性能。结果表明,生成的一个波特率为20 GBuad、频率为400 GHz的QPSK信号通过40 km的零色散位移光纤传输后,其误码率低于前向纠错码的阈值(3.8×10^-3)。该方案具有无需预编码技术和数模转换器的特点,降低了信号处理的复杂度和系统成本。     

基于原子的射频识别标签近场散射场矢量测量

基于原子的时间/频率、长度以及磁场、微波电场等方面的量子精密测量近年来引起广泛关注。里德堡原子作为微波精密测量工具,具有可溯源性好、空间分辨率高以及探测灵敏度高等优势。通过室温铯里德堡原子的电磁诱导透明光谱特征分析实现了微波电场矢量空间高分辨测量。利用铯原子蒸气池中共线的耦合光和探测光形成了6S_1/2-6P_3/2-51D_5/2的阶梯型三能级系统,5.365 GHz微波电场将诱导相邻里德堡态51D_5/2-52P_3/2的共振跃迁,导致阶梯型三能级系统的电磁诱导透明光谱发生Autler-Townes分裂。通过计算光谱的分裂间隔可得到可溯源至普朗克常数的微波电场强度,微波电场测量的空间分辨率达到1/31被测微波波长。特别是提出一种新的微波电场极化方向测量方法,解决了基于里德堡原子进行微波电场极化方向测量时无法分辨互补角的问题。通过对射频识别标签的近场散射场进行矢量测量,实现了标签角度的有效识别,角度分辨率达到1.64°,测量结果与有限元分析方法仿真结果吻合地很好。该研究对于微波电场空间高分辨成像、射频识别标签的设计和识别以及电磁兼容测试等方面具有重要价值。     

基于色散偏振度的乳化油光谱检测系统研究

以色散偏振光谱检测技术为背景,着重研究了乳化油颗粒的偏振光学特性及米散射物理模型,构建了色散偏振度光谱检测系统。在400～700 nm波长范围内,分别对四种样品进行了301个波段的光谱反射率采集。结合贝塞尔函数和汉克尔函数,推导出了入射光波长与散射光偏振振幅矢量的关系,提取了一个新的特征参数：色散偏振度（DODP）。在暗室条件下,对乳化油样品ND18和ND75进行测量,利用色散偏振公式计算出了样品在各测量波长处的偏振度值,验证了基于DODP值检测乳化油的可行性。研究发现,虽然米散射的解是由单个球体的衍射推导而来,但是只要它们的直径和组成相同,且彼此之间的距离比波长大,也同样可以用于任意数量的球的衍射。在这种情况下,被不同球体散射的光之间没有相干的相位关系,总散射能量等于被一个球体散射的能量乘以它们的整数。当观测平面与入射波电矢量振动方向之间的夹角Φ=0或者Φ=π／2时,散射光分量E(s)_θ或者E(s)_Φ消失。由于ND18的粒径比ND75的粒径小,所以ND18的前向散射波瓣较大,前向散射与后向散射的比值较小。在相同光照条件下,ND75的多次散射现象要比ND18严重。根据路径相关矩阵的理论,多次散射容易引起退偏振,二次辐射波会在角域内扩散和分布。因此,被测乳化油表面产生的散射次数与入射光能的阻尼能力成正比。由于乳化油表面入射光的能量耗散存在差异,因此能量耗散率与入射波矢量方向的前向散射振幅的分量成正比,且乳化油的偏振散射程度不同于入射光的偏振散射程度。实验结果表明,DODP可以反映出乳化油由多次色散引起的去偏振能力。由于模拟光源是自然光,所以计算散射光的偏振参数非常方便,可以大大缩短数据处理时间,减小实验误差。DODP不仅能够识别海水中的乳化油,而且能够区分不同浓度的污染物,准确识别出乳化油的边缘扩散。     

全光式QEPAS系统光声信号检测方法研究

为了提高全光式石英增强型光声光谱(QEPAS)珐珀解调系统的微弱信号检测能力,设计了一种基于MAX274的有源带通滤波电路和基于AD620的前置放大电路对信号进行预处理,同时利用LabVIEW设计了正交矢量型数字锁相技术的信号处理模块。实验结果表明,该方法能从强背景噪声中获得比较微弱的光声信号,在常温常压下对空气中的水汽含量进行探测,得到其归一化噪声等效吸收系数为1.37×10-6 cm-1 W/Hz1/2。该方法具有结构简单、价格低廉、便于操作和控制、实用性强等特点。     

紧聚焦条件下相干反斯托克斯拉曼散射信号场的矢量分析

在相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微镜中,共线传输的紧聚焦高斯光束激发具有不同形状和尺寸的待测样品所产生的CARS信号场的空间分布决定了整体系统的结构特点.建立了紧聚焦条件下球形样品产生CARS信号场的理论模型.利用矢量波动方程分析了紧聚焦条件下线偏振的高斯光束的光场强度和相位分布.利用格林函数求解该模型中CARS信号场的矢量波动方程,模拟计算得到了不同直径球形样品的远场CARS信号场的空间分布.理论分析和模拟计算结果表明,对于小体积的球形样品,前向和背向传输的CARS信号场强度接近,因此采用大数值孔径物镜背向探测方式即可获得高对比度图像.对于大体积球形样品,CARS信号场的强度大幅增强,且发射方向主要集中在前向的一定立体角内.因此,采用小数值孔径物镜即可有效收集前向传输的CARS信号.     

导电导磁管道外任意放置线圈激励下脉冲涡流场时域解析解

利用二阶矢量位和洛伦兹互易定理,解析求解了导电、导磁金属管道外任意放置线圈激励下非轴对称涡流场的频域解.利用求频域式极点处留数的方法求解拉普拉斯反变换,得到了脉冲电流激励下检测线圈两端感应电压以及管壁内脉冲涡流分布的时域解析式.分析比较了不同线圈放置方式下管壁内脉冲涡流的分布和扩散过程,以及感应电压对管壁的灵敏度.研究结果表明:当线圈轴线沿管道径向法线方向放置时,得到的感应电压时域信号最强,对壁厚的检测灵敏度最高.     

基于一维金属光子晶体平凹镜的柱矢量光束亚波长聚焦

柱矢量光束具有柱对称性的偏振分布,其独特的光场分布和聚焦特性被广泛应用于光学微操纵及光学成像等领域,并迅速向亚波长尺度拓展.通常,亚波长尺度聚焦采用等离激元透镜实现,但存在光场调控的偏振态局限性.而借助光子晶体的负折射效应,不仅能够实现亚波长聚焦或成像,而且应对正交偏振态同时有效.采用对电磁波具有更强调控能力的一维金属光子晶体结构,计算得到的能带结构和等频曲线表明其负折射效应在特定波段对正交偏振态同时有效.在此基础上设计出一维金属光子晶体柱对称平凹镜结构,通过有限元算法模拟显示了可见光波段的径向和旋向偏振光的同时亚波长聚焦行为.进一步的结果表明,改变柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地调节焦场空间分布及偏振分布特性.所提出的平凹镜结构能够实现对任意偏振组分的柱矢量光束的亚波长尺度聚焦,且该结构的设计对于各波段情况均有参考意义.该研究结果对小尺度粒子的光学微操纵、超分辨率成像等相关领域具有潜在的应用价值.     

二元玻色-爱因斯坦凝聚体中矢量孤子的转化行为

考虑种内和种间相互作用均为排斥作用,研究了局限于谐振外部势阱中的二元玻色-爱因斯坦凝聚体中灰-灰和黑-黑孤子的动力学行为.结果表明:当谐振势阱的轴向囚禁频率为零时,灰-灰和黑-黑孤子均能保持局域稳定;而当轴向囚禁频率不为零时,凝聚体中的原子向势阱中心聚集,发现灰-灰孤子可以转化成亮-亮孤子.     

聚焦光在单轴晶体中的感应磁化

运用矢量衍射理论,分析了高度聚焦的圆偏振激光脉冲在具有逆法拉第效应的单轴晶体中产生的感应磁化分布.详细研究了界面位置不同对磁化分布的影响,比较了小双折射效应的单轴晶体中的磁化分布与均匀介质中的磁化分布.计算结果发现:随着界面向透镜移动,磁化强度的最大值和磁化斑的最小值位置沿着光轴方向移动.在单轴晶体中的磁化强度大于在均匀介质中的磁化强度.但是,在单轴晶体中的磁化斑的大小比在均匀介质中的小.描述单轴晶体各向异性的光磁常量与各向同性的光磁常量的比值愈大,磁化强度愈大,磁化斑愈小.     

线性对称耦合器的几何表示

利用线性对称耦合器两个波导中光场的电矢量构建了布洛赫矢量模型.通过布洛赫矢量的旋转变化使得光在两个波导通道中“跃迁”的过程非常直观.研究发现,随着线性对称耦合器的相位失配变得越严重,光能量在波导间的转换频率增快且转换效率降低,与传统的求解线性对称耦合器耦合波方程所得到的结果是一致的.